实验力学-应变片

实验力学-应变电测技术
§2 实验力学研究的内容和方法 内容： 1、各种力学参量的测量技术，仪器、方法； 2、新材料的力学性能测试研究； 3、实验信号数据的采集、处理的方法研究： 4、新技术的研究和应用： 激光、遥测、声发射、干涉法等。 方法： 机械法、光测法、电测法、超声法等
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电 学 感 量 量 器
放大器 （应变仪和电路） 标定装臵 显示仪器 记录装臵
应来自百度文库 学 关系 量
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除此之外，还必须有一个标定装臵，其作用是：比较信号 大小，确定力学量的量值。 各部分的作用： 1、传感器：测应变-电阻应变片 测频率-电阻应变片、拾振器 测振幅-电阻应变片式传感器、拾振器 2、放大器：测应变-静态电阻应变仪 测频率-动态电阻应变仪 测振幅、相位-交直流放大器
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3、显示和记录装臵： 测应变-电阻应变片 测频率-电阻应变片、拾振器 测振幅-电阻应变片式传感器、拾振器 4、标定系统： 应变 - 采用专用线路， 静态由表头直读 动态由示波器波高显示 上述各部分只是表示电测实验的基本步骤，而对于不同问 题，各测试仪器的配套方法是不同的，要看具体情况决定。
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二、电阻应变片的发展与应用 －电阻应变片测量技术起源于19世纪。 －1856年，汤姆逊对金属丝进行了拉伸试验，发现金属丝的 应变和电阻的变化有一定的函数关系；之后，人们利用 惠斯通电桥来精确地测量电阻的变化。 －1938年，E· 西门斯（E．Simmons）和A· 鲁（A．Ruse），制 出了第一批实用的纸基丝绕形式电阻应变片。 －40年代，出现了可调节的由测量电桥和放大器组成的电阻 应变仪，使电阻应变测量技术在工程技术和科学实验领 域内获得广泛的应用。
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6、电阻片的粘贴方法 粘贴电阻片是电测法的重要环节，它直接影响测量精度。 粘贴时，首先必须保证被测表面的清洁、平整、光滑、无 油污、无锈迹。 二、要保证粘贴位臵的准确、并选用专用的粘接剂。 三、应变片引线的焊接和导线的固定要牢靠，以保证测 量时导线不会扯坏应变片。 为满足上述要求，粘贴的大致过程如下： 打磨测量表面→在测量位臵准确画线→清洗测量表面→在 画线位臵上准确地粘贴应变片→焊接导线并牢靠固定。
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从上可见，为了测量力学量，首先应将力学量转换为电量， 这就需要一个装臵，这个装臵叫 “传感器” 或“转换 器”。 而“转换器”所产生的电量很小，所以必须放大，称“放 大 器”，最后必须有一个显示装臵或记录装臵将测量的信号 显 示或记录下来。其过程可用框图表示： 应力 力 电信号 力 传
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横向效应系数(H): 通常要求应变片的指示应变值只反映构件b表面的应变 片轴线方向上的应变。然而，应变片的敏感栅中除了有纵栅 外，还有圆弧形或直线形的横栅，横栅的电阻变化是由于构 件表面轴向应变和横向应变共同作用的结果，因此应变片具 有横向效应H。
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温度效应： 当电阻应变片安装在无外力作用、无约束的构件表面上时，在 温度变化的情况下，它的电阻会发生变化的现象，称为电阻应 变片的温度效应。 温度变化时，应变片敏感栅材料的电阻会发生变化，并且，应 变片和构件都会因温度变化而产生变形，从而使应变片的电阻 值随温度变化而变化。这种温度效应将影响电阻应变片测量构 件表面应变的准确性。通常，将温度效应产生的应变片的电阻 相对变化所对应的应变量，称为热输出。 电阻应变片的温度效应主要取决于敏感栅和构件材料的性能和 温度变化范围。但实际上，它还与基底和粘结剂材料、应变片 制造工艺和使用条件等有关。
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－1953年．P· 杰克逊利用光刻技术，首次制成了箔式应变片， 随着微光刻技术的进展，这种应变计的栅长可短至 0.178mm －1954年．史密斯发现半导体材料具有的压阻效应。 为了克服直流放大器信息的漂移和线性精度度差等缺点， 传统的电阻应变仪都采用交流放大器．以载波放大方式 传递信号．这种仪器的性能稳定，其精度能满足一般的 测试要求，但它的工作频率受载波频率的限制，而且存 在电容,电感影响，测量精度等问题。
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4、电阻应变片性能参数 应变片电阻 在无受力及室温测定下的电阻值。 通常：120Ω；250Ω；300Ω；500Ω；1000Ω 灵敏系数 轴向受力，应变片电阻值的变化与沿轴向应变的比值。
dR K / R
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K －是反映电阻应变片对构件表面单位应变所产生的电阻 相对变化量。它的大小主要取决于敏感栅材料的灵敏 系数Ks，但两者又不相等。 原因: 1.由于横栅的存在，使制成敏感栅之后的灵敏系数小于 丝材的灵敏系数,差别的大小与敏感栅的结构形式和几 何尺寸有关。 2.试件表面的变形是通过基底和粘结剂传递给敏感栅的, 电阻丝横界面的几何不均匀等的影响。 应变片名义K0的确定： 一般由实验来测定，抽样5%测试给出名义K0和偏差。
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作用：由于它具有直观性的特点，因此被用来进行： 1、产品定型，方案比较，规范制定，事故分析； 2、完善、修正、推广理论结果； 3、解决理论无法解决的问题： ①材料的力学性能 基本物性参数、疲劳、断裂参数测量 ②复杂结构的力学问题应对： 残余应力、热应力、应力集中等 4、重大工程结构的实验鉴定
L R A
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当电阻丝受到拉伸、压缩时有下式存在
dR d dL dA R L A
dL D ' (1 ) D L dA D' dA A 2 ( ) 2 2
A
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dR d (1 2 ) R
固体力学实验（一）
－－应变电测技术
运载工程与力学学部工程力学系
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绪 论 §1 实验力学的任务与作用 任务：研究测量各种结构或构件在处于各种不同的工作条件 下（温度、湿度、介质等）和各种不同载荷作用下 （静载、动载），所引起的应力应变分布和其它力学 量的量值及其变化的客观规律，进而选择合理的设计 与制造参数，使结构达到即安全又经济的目的。 特点：是采用实验的手段，直观、简洁、可靠。这与理论计 算是完全不同的，因此它是力学领域一个重要的分支。
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三、测量的基本概念 线性度－要求输入与输出的关系是线性； 灵敏度－输出的变化量与输入变化量的比值； 滞后现象 －输入量增、减时，输出量不同，出明显滞后现象； 灵敏度与分辨率 －当输入量由零增大时，能够测量到的最小值称为灵敏度； 零飘与温飘 －输入量不变，环境温度不变，输出量随时间变化成为零 飘；外界温度变化所引起的变化成为温飘。
2、初步了解应变电测技术在力学实验中的应用情况及其基 本概念。
3、建立实验与理论相互支持的概念，以便理论联系实际。
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§5 考核方法 1、考试 2、课堂教学与实验相互结合 3、考试占60%（开卷），实验占40%
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第一篇 结构应变电测技术基础 概述：用电测法测量结构在固定载荷作用下产生的不随时间 变化的力学参量，静态测量是力学实验的基础。 第一章 电测法的基本原理 §1 应变电测法的基本概念 电测法： 就是利用粘贴在结构表面的应变片将力学量转换成电量， 并通过电量的变化来测量力学参量的变化的方法。 常用的电学量为电流、电压。 经常能够测量的力学量为应变、频率、振幅等。
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§2 应变电测法的特点与优点
特点、优点- 见书P1
局限性-单向应力状态非应变场 平均应变 梯度较大则不准
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§3 电阻应变片 “应变片”从其名可知为测量结构应变用的，但它如果做 成 各种传感器，则可以测量很多力学量，如力、扭矩、振幅其 它量。因此它是静态应变测量最基本的传感元件，需做重点 分析讲解。 一、电阻应变片的工作原理 1、应变片的结构 电阻应变片主要由敏感栅、基底、引线、粘结剂和覆盖层 五部分组成。如下图：
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特殊纸基称为基地—纸基、胶基（聚合物） 敏感栅（丝栅）—金属丝、箔片
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2、应变片的工作原理 因绝大部分金属丝受到拉伸或缩短时，电阻值会增大(或 减小)，这种电阻值随形变发生变化的现象，叫做电阻应变 效应． 电阻应变片就是基于金属导体的电阻应变效应制成的。
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稳定性 电阻应变片的稳定性是指在工作条件恒定的情下，经历 规定的时间后，仍能保持原有性能参数的能力。它是 反映电阻应变片长期静态工作能力的重要性能。通常， 电阻应变片的稳定性用应变片的电阻值漂移和蠕变大 小来表示。
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5、应变片的分类：
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dR dRd d Ks 1 K 1 2 s2 R R
代表金属丝产生 单位应变时电阻 率的变化率，实 验证明为常量。



dR K s R
Ks称为单根金属丝应变灵敏系数。可见二者存在线性关系。
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3、常有电阻应变片的灵敏系数
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－1957年，W.P.Mason，等研制出半导体应变片，其灵敏系 数比金属丝应变片高50倍，现已用于不同环境、条件下 各种类型的电阻应变片，还有用于测量残余应力和应力 集中等的特殊应变片 －60年代，出现了采用直流放大器的电阻应变仪。 近来，朝着数字化、自动化方向发展，现已有数字式测 量动、静态数据采集处理系统。目前，各种不同规格、不同 品种的电阻应变片已有二万多种。
电测法 包括电阻、电容、电感测试法 电阻法较常用，具有高灵敏度和精度。因是电信号测量，易于实 现数字化、自动化；可用于不同环境下的测量；成本低廉。缺点 是只能点测量固定方向应变，不能全域测量。 光测法 包括光弹性、全息干涉、激光散斑干涉、云纹法等 光弹性法应用广泛，是利用偏振光通过具有双折射效应的透明受 力模型从而获得干涉条纹图，可观察全域应力分布情况；快速测 定应力集中系数；内外部边界应力测量。但周期长、成本高。 机械测试法 利用引伸仪测定试件变形需经过放大。有杠杆式和齿轮式两种。
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§3 应变电测课程的内容 应变电测实验力学讲述应变电测的基本原理、实验方 法和数据分析和处理。主要内容有： 1、第一章 电阻应变片 第二章 电阻应变仪的工作原理 第三章 测点应力计算 2、高压液下应变测量
3、应变片式传感器原理
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§4 教学目的 1、掌握应变电测法的基本原理和基本实验技术，并能够对 静态结构进行测量和分析。